DE2038354A1

DE2038354A1 - High performance amplifier

Info

Publication number: DE2038354A1
Application number: DE19702038354
Authority: DE
Inventors: Chao Andrew Chi Ming
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1969-08-26
Filing date: 1970-08-01
Publication date: 1971-03-18
Also published as: JPS4940288B1; CA933609A; DE2038354B2; FR2060597A5; GB1312357A

Description

Patentanwalt ΟΠΟΟΟΓ/Patent Attorney ΟΠΟΟΟΓ /

Dipt-Ing. D-8023 Münd»«n - PullachDipt-Ing. D-8023 Münd »« n - Pullach

vIN/lo München-Pullach, 30. Juli 1970vIN / lo Munich-Pullach, July 30, 1970

Paris file: 44-39-AParis file: 44-39-A

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 48 075, USATHE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 48 075, USA

HochleistungsverstärkerHigh power amplifier

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker und insbesondere einen Leistungsverstärker vom Typ, der in einem Quasi-Schaltbetrieb arbeitet und eine abgekappte sinusförmige Ausgangsgröße liefert und der wesentlich größere Leistungen liefert, als. bei einem linearen B-Klassenbetrieb oder Rechteckwellen-Schaltbetrieb, bei Schmalband-Anwendungsfällen. The invention relates to a power amplifier, and more particularly a power amplifier of the type that is in a Quasi-switching operation works and a trimmed sinusoidal The output variable delivers and delivers significantly greater power than. with a linear B-class operation or square wave switching operation, for narrowband applications.

Bei der Auslegung von Leistungsverstärkern wird neben der Vermeidung eines großen elektronischen Aufwandes, ein besonderer Wert auf den Betriebswirkungsgrad der Verstärker gelegt und zwar sowohl hinsichtlich der Energieübertragungsverluste und auch hinsichtlich der Schwierigkeit der im Sender erzeugten Wärme Herr zu werden. Dort, wo es gewünscht wird, die Wellenform des gesendeten Signals beizubehalten, muß der Verstärker normalerweise so ausgelegt sein, daß er in einem linearen Betrieb arbeitet, wobei in der Praxis der Wirkungsgrad nicht weit über 60 % hinaus gelangt. Dem Konstrukteur eines Sonar-Senders begegnet dabei ein weiteres Problem, das darin besteht, daß die piezoelektrischen Wandler, die die Ausgangsvorrichtungen für den Hauptsender-Verstärker darstellen, einer beträchtlichen Impedanzänderung When designing power amplifiers, in addition to avoiding a large amount of electronic equipment, special emphasis is placed on the operational efficiency of the amplifier, both in terms of energy transmission losses and in terms of the difficulty of mastering the heat generated in the transmitter. Where it is desired to maintain the waveform of the transmitted signal, the amplifier must normally be designed to operate in a linear manner, in practice not exceeding 60 % efficiency. Another problem encountered by the sonar transmitter designer is that the piezoelectric transducers, which are the output devices for the main transmitter amplifier, experience a significant change in impedance

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ausgesetzt sind. Dieses Problem ist weiterhin dahingehend schwerwiegend, daß die Impedanzänderungen in den einzelnen Wandlern durch Druckschwankungen hervorgerufen werden, die aufgrund von Änderungen in der Wassertiefe entstehen, in welcher die Wandler arbeiten. Demnach kann die Belastung von Sendeverstärkern beträchtlich schwanken, was davon abhängt, welcher Wandler oder Gruppe von Wandlern als Last angeschaltet ist und ebenso von den Umweltbedingungen abhängig ist. Ein mit diesem Problem konfrontierter Konstrukteur kann feststellen, daß, um Verzerrungen zu vermeiden, er die Ausgangsleistung weiter reduzieren muß und zwar relativ zu derjenigen Größe, die erhalten werden könnte, wenn eine Bedingung entsprechend einer konstanten Lastimpedanz vorhanden wäre.are exposed. This problem is further serious in that the impedance changes in the individual Transducers caused by pressure fluctuations, the arise due to changes in the water depth in which the transducers operate. Accordingly, the burden can of transmit amplifiers vary considerably, depending on which transducer or group of transducers is the load is switched on and is also dependent on the environmental conditions. A designer faced with this problem can determine that in order to avoid distortion, he must reduce the output power further, and relatively to the magnitude that could be obtained if a condition corresponding to a constant load impedance would exist.

Die Ausgangsstufen für Sender, die in einem vollständigen Sonarsystern verwendet werden, sind typ-isch so ausgelegt, daß sie in.einer Betriebsphase oder -gegend arbeiten, in der die Beziehung zwischen Ausgangsleistung und Belastungsimpedanz im wesentlichen line-ar ist. Ein Grund hierfür besteht darin, daß, zusätzlich zur Echolotung, diese Sender für Unterwassertelefonie verwendet werden, wobei die Eingangswellenform aufrecht erhalten werden muß. Als Folge hier- ^ von ergibt sich jedoch, daß der wirkliche Betriebswirkungsgrad während der Echolotung reduziert werden muß. Aufgrund dieses Wirkungsgrad-Problems wurde eine andere Technik bekannt und diese besteht .4&rin, den Sendeverstärker während der Echolotung in einem Abkapp- oder Schaltbetrieb zu betreiben, wodurch man einen ^llHechteckwellen"-Ef'fekt erzeugt. Dies gibt eine Möglichkeit für höhere Wirkungsgrade, es ergibt sich dabei jedoch, daß ein wesentlicher Teil der Energie in Form von unerwünschten Hochfrequenzkomponenten erzeugt wird, die die Ursache für Verzerrung und Schalt-"Spitzen" sind und die in Hochleistungsanlagen naheau unmöglich aus- The output stages for transmitters used in a complete sonar system are typically designed to operate in an operating phase or region in which the relationship between output power and load impedance is substantially linear. One reason for this is that, in addition to echo sounding, these transmitters are used for underwater telephony where the input waveform must be maintained. As a consequence of this, however, it follows that the actual operating efficiency must be reduced during echo sounding. Because of this efficiency problem, a different technique was known and it is .4 & rin to operate the transmission amplifier during Echolotung in a Abkapp- or switching operation, thereby generating a ^ll Hechteckwellen "-Ef'fekt. This gives an opportunity for higher efficiencies, it results here, however, that a substantial part of the generated energy in the form of undesirable high frequency components, which are the cause of distortion and switching "peaks" and the naheau in high-performance systems Removing impossible

zufiltern sind. Obwohl der theoretische Wirkungsgrad ziemlich hoch zu liegen scheint, so ist nur eine Sendung in oder nahe der Grundfrequenz hierbei zugrundegelegt, was sinnvoll ist, da der Sonarempfanger eine relativ schmalbandige Vorrichtung ist, die in bevorzugter Weise nicht auf Harmonische anspricht.are to be filtered. Although the theoretical efficiency seems to be quite high, there is only one shipment in or close to the basic frequency, which makes sense since the sonar receiver has a relatively narrow band Is a device that is preferably non-harmonic responsive.

Ein anderes praktisches Problem besteht darin, daß dort, wo der Schaltbetrieb zu Anwendung gelangt, Vorrichtungen mit hoher Schaltgeschwindigkeit erforderlich sind, die in großer Vielfältigkeit vorhanden sind, jedoch die Leistungskapazität begrenzen und inhärent weniger zuverlässig sind als die gewöhnlich langsameren Silikon-Leistungstransistoren. Another practical problem is that there, where switching operation is applied, high switching speed devices are required which are in there are great diversity, but limiting performance capacity and inherently less reliable than the usually slower silicon power transistors.

Die vorliegende Erfindung sucht die zuvor geschilderten Nachteile zu beseitigen und sie schafft zu diesem Zweck einen gesteuerten Eingangstreiber, der teilweise in einem linearen Bereich für Ausgangsgrößen mit kleinerem Wert arbeitet und für einen Hochleistungsbetrieb in einem Quasi-Schaltbetrieb oder -weise arbeitet, die als "Zwangssattigungs-Bereicbⁿ bezeichnet wird. Die Eigenschaften der "Zwaagssättigungs-Ausgangsgröße liegen zwischen denjenigen eines linearen B-Klassenbetriebes und denjenigen eines Rechteckwellen-Schaltbetriebes. Die Wellenform der Ausgangsgrösse nähert sich derjenigen einer abgekappten Sinuswelle; d.h., sie ist sinu-sförmig bei geringen Pegeln, ist jedoch von der Stromversorgung spitzenbegrenzt und zwar durch eine Eingangsübersteuerung. Der Grad der Eingangsübersteuerung oder die Dauer der Spitzensättigung wird gesteuert, um die fundamentale Komponente der Ausgangsleistung maximal zu gestalten, so daß man dabei einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Gleichstromenergie in eine akustische Ausgangsgröße erzielt, und zwar bei minimaler Ver- The present invention seeks to eliminate the disadvantages outlined above and for this purpose it provides a controlled input driver which operates partially in a linear range for output quantities of smaller value and operates in a quasi-switching operation or manner for high-performance operation, which is called "forced saturation -Bereicb ⁿ is referred to. the properties of the "Zwaagssättigungs output size intermediate between those of a linear B-class operation and those of a square wave switching operation. The waveform of the output variable approaches that of a clipped sine wave; That is, it is sinuous at low levels, but is limited by the power supply to a peak due to an input overload. The degree of input overload or the duration of peak saturation is controlled in order to maximize the fundamental component of the output power, so that a very high degree of efficiency in converting DC energy into an acoustic output is achieved with a minimum amount of noise.

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stärker-Verlustleistung und Erzeugung von Oberwellen bzw. Harmonischen. Andererseits kann der Verstärker auch so angetrieben werden, daß er in der linearen Phase oder Betriebsweise arbeitet.stronger power dissipation and generation of harmonics. On the other hand, the amplifier can also be driven in this way will be that it operates in the linear phase or mode of operation.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigern Further advantages and details of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment with reference to the drawing. In this point

Fig. 1 ein schematisehes Schaltbild einer . grundlegenden GegentaktverStärkeranordnung, die so angesteuert werden kann, daß sie in dem Zwangssättigungsbetrieb arbeitet;1 shows a schematic circuit diagram of a . basic push-pull amplifier arrangement, which can be controlled so that it works in the forced saturation mode;

Fig. 1a eine graphische Darstellung, die' die typische Betriebsweise im Zwangssättigungsbetrieb veranschaulicht;Fig. 1a is a graph showing the typical mode of operation in the forced saturation mode illustrates;

Fig. 2 eine graphische Darstellung typischer Ausgangseigenschaften eines Verstärkers , der sowohl im linearen als auch ZwangsSättigungsbereich arbeiten kann;Figure 2 is a graph of typical amplifier output characteristics which can work in both the linear and the forced saturation range;

. Fig. 3 eine graphische Darstellung, die den. Fig. 3 is a graph showing the

™ Grundwirkungsgrad (9 f) und den Ge™ Basic efficiency (9 f) and the Ge

samtwirkungsgrad (η _T) in Abhängigkeit vom Abkappwinkel Q zeigt;shows overall efficiency ( η _T ) as a function of the trimming angle Q ;

Fig. 4- ein Blockschaltbild eines typischen Sonarsenders, bei dem die vorliegende Erfindung zur Anwendung gebracht ist;Fig. 4- is a block diagram of a typical sonar transmitter utilizing the present Invention is applied;

Fig. 4a eine graphische Darstellung einerFig. 4a is a graphic representation of a

Wellenform dor Ausgangsgröße der Fig. 4;Waveform of the output of Fig. 4;

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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Senderanordnung, wobei veranschaulicht ist, in welcher Weise eine Vielzahl von ähnlichen Verstärkerelementen dazu verwendet werden können, um die gesamte Verstärkerleistung zu verändern , b e i Verwendung der gIe ich en Eingangsstufen;5 shows a block diagram of a transmitter arrangement, it is illustrated in what way a plurality of similar amplifier elements to this can be used to change the total amplifier power when using the same s Entrance steps;

Fig. 5& eine graphische Darstellung, die die Ausgangscharakteristiken der Vorrichtung nach Figur 5 veranschaulicht, , u-nd zwar sowohl im linearen B-Klassenbetrieb oder -gegend und im Zwangssättigungsbereich ;Fig. 5 is a graph illustrating the output characteristics of the apparatus of Fig. 5, both in class B linear operation or region and in the forced saturation region;

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild eines typischen B-Klassen-Steilheitsverstärkers, bei dem die vorliegende Erfindung zur Anwendung gebracht ist;6 is a schematic circuit diagram of a typical B class transconductance amplifier; in which the present invention is applied is;

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild eines anderen B-Klassen-Steilheitsverstärkers, bei dem die vorliegende Erfindung zur Anwendung gebracht ist; Fig. 7 is a schematic circuit diagram of a another class B transconductance amplifier to which the present invention is applied;

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild eines Verstärkermoduls desjenigen Typs, der bei der Anordnung nach Figur 5 zur Anwendung gebracht werden kann;Fig. 8 is a schematic circuit diagram of a Amplifier module of the type that is used in the arrangement according to FIG can be applied;

Fig. 9 ein schematisches Schaltbild eines Verstäfkermoduls ähnlich demjenigen der Figur 6, der jedoch von einer einzigen Energiequelle betrieben werden kann und eine Kompensationsein-Fig. 9 is a schematic circuit diagram of a Amplifier module similar to that of Figure 6, but of a single energy source can be operated and a compensation unit

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-G--G-

richtung für die Stromversorgungs-SpannungsSchwankungen aufweist; unddirection for the power supply voltage fluctuations having; and

Fig..10 ein schematisches Schaltbild eines typischen Treiberverstärkers, wie derjenige in Figur 7> der eine Kurzschluß-Begrenzereinrichtung aufweist. Fig..10 is a schematic circuit diagram of a typical driver amplifier, such as that in Figure 7> the one short-circuit limiting device having.

Das ZwangsSättigungskonzept läßt sich am besten verständlich machen, indem man eine Anordnung betrachtet, wie sie in Figur 1 veranschaulicht ist, in der ein linearer Gegentakttransistor-Leistungsverstärker 10, der an eine Gleichstromversorgungsquelle 12 angeschlossen ist, von einem Oszillator 14· getrieben wird, der eine sinusförmige Ausgangs-, größe aufweist, die mit Hilfe des Eingangspotentiomerters veränderbar ist. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 10 entsteht über der Belastungsvorrichtung 18.The concept of forced saturation is best understood make by considering an arrangement as illustrated in Figure 1 in which a push-pull linear transistor power amplifier 10 connected to a DC power source 12 from an oscillator 14 is driven, which has a sinusoidal output, Has size that can be changed with the help of the input potentiometer. The output of the amplifier 10 arises above loading device 18.

Wenn der Schieber am Potentiometer 16 so verschoben wird, daß sich die Eingangsgröße in dem Verstärker erhöht, dann wird ein Punkt erreicht, an dem der Verstärker eine maximale noch nicht abgekappte B-Klassen-Sinusausgangsgrösse erzeugt, die von der Eingangswellenform reproduziert ist. Wenn dann die Eingangsgröße weiter erhöht wird, dann wird die Ausgangsgröße aufgrund der Stromversorgung begrenzt und erscheint in Form einer abgekappten Wellenform, wie diejenige, die in Figur 1a gezeigt ist. Die Eingangswellenform ist sinsuförmig, die Ausgangswellenform ist jedoch mehr oder weniger abgekappt, was von dem Übersteuerungsgrad abhängig ist. Dieser Übersteuerungsgrad ist in Figur 1a durch den Winkel der Eingangswelle Q„ veranschaulicht, bei welchem das Abkappen oder Begrenzen der Ausgangsgröße aufgrund derWhen the slider on potentiometer 16 is moved to increase the input to the amplifier, a point is reached at which the amplifier produces a maximum, as yet uncapped, B class sine output that is reproduced from the input waveform. Then, when the input is increased further, the output is limited due to the power supply and appears in the form of a clipped waveform such as that shown in Figure 1a. The input waveform is sinusoidal, but the output waveform is more or less clipped, depending on the degree of overload. This clipping level is illustrated in Figure 1a by the angle of the input shaft Q ", wherein the capping or limiting of the output due to the

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Stromversorgung beginnt. Dieser Winkel soll als Abkappwinkel bezeichnet werden.Power supply begins. This angle is to be referred to as the cut-off angle.

Es ist vorteilhaft, die Betriebsweise der Vorrichtung nach Figur 1 bei extremen Änderungen der Belastungsimpedanz, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, zu betrachten. Wenn die Eingangsgröße auf einem konstanten Wert gehalten wird und wenn die Belastungsimpedanz 18 vermindert wird, darin nimmt die Ausgangsleistung proportional ab, da der Transistorverstärker wie eine konstante Stromquelle wirkt und da die Ausgangsimpedanz der Transistorstufe typisch sehr viel höher liegt als die Belastungsimpedanz (unter der Voraussetzung eines gemeinsamen Emitteranschlüsses, bei Gegenkopplung).It is advantageous to follow the mode of operation of the device FIG. 1 to be considered in the case of extreme changes in the load impedance, as shown in FIG. When the input variable is held at a constant value, and when the load impedance 18 is decreased, the output power decreases proportionally, since the transistor amplifier acts like a constant current source and since the output impedance the transistor level is typically much higher than the load impedance (assuming a common Emitter connection, with negative feedback).

Wenn man annimmt, daß die Belastungsimpedanz erhöht wird und zwar auf einen extrem hohen Wert, so daß man sich der Bedingung eines offenen Stromkreises nähert, dann arbeitet der Verstärker in einem begrenzenden Betrieb, wobei diese." Betrieb sehr dem Rechteckwellen-Schaltbetrieb ähnlich ist. Der Verstärker arbeitet dann wie eine konstante Spannungsquelle für eine gegebene Eingangstreibergröße und die Ausgangsenergie ist umgekehrt den Belastungsimpedanzwerten proportional. Assuming that the load impedance is increased and to an extremely high value so that one approaches the condition of an open circuit, then works the amplifier in a limiting operation, being this. " Operation is very similar to square wave switching operation. The amplifier then works like a constant voltage source for a given input driver size and output energy is inversely proportional to the load impedance values.

Zwischen der linearen B-Klassenbetriebsweise und der Schaltbetriebsweise, gelangen die Ausgangseigenschaften über einen Umkehrpunkt maximaler Iieistung. Dies ist die Gegend, in welcher der Zwangssättigungsverstärker arbeiten soll. Innerhalb diesem Bereich erzeugt der Zwangssättigungsverstärker bis zu 2.1 db höhere Grundausgangsleistung, als die maximale nicht abgekappte Ausgangsgröße, die von einer Stufe der Klasse B abgegeben wird. Diese Zunahme der Ausgangsleistung wird zu-Between the linear B-class operating mode and the switching mode, the initial properties reach a turning point of maximum output. This is the area in which the forced saturation amplifier should work. Within this range, the forced saturation amplifier generates up to 2.1 db higher basic output power than the maximum uncapped output that can be obtained from a class B is delivered. This increase in output power is

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gleich mit der proportionalen Verminderung der Verstärkerverluste erreicht, so daß ein solcher Verstärker sehr vorteilhaft und begehrenswert wird. Auf diese Weise lässt sich ein richtungsbetriebener Verstärker verwirklichen, der sowohl selektiv als B-Klassenverstärker im linearen Betriebszustand oder im Zwangssättigungsbetriebszustand arbeiten kann und sich vorteilhaft einsetzen läßt, wie z.B. bei der Unterwassertelefonie_y er weist weiter einen hohen Verstärkungs-Wirkungsgrad auf und ebenso eine hohe Stabilität für Hochleistungs-Echolotvorgänge. Da keine Nachteile entstehen, wenn man bis in die Nähe des Schaltbetriebes übersteuert, benötigt man auch keine Schalter-Vorrichtungen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten und die Ausgangsgröße ist an sich frei von Schalt-Übergangen.achieved with the proportional reduction in amplifier losses, so that such an amplifier becomes very advantageous and desirable. In this way, a direction-driven amplifier can be implemented that can work selectively as a B-class amplifier in the linear operating state or in the forced saturation operating state and can be used advantageously, such as in underwater telephony _y it also has a high gain efficiency and also a high level Stability for high performance echo sounding operations. Since there are no disadvantages when overdriving in the vicinity of the switching operation, there is also no need for switching devices with high switching speeds and the output variable is inherently free from switching transitions.

Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Gesamtwirkungsgrad (η _φ) und dem WirkungsgradFigure 3 shows a graph showing the relationship between the overall efficiency (η _φ ) and the efficiency

. -¹ zeigt. - ¹ shows

bei der Grundfrequenz (^ ^), bei einem Abkappwinkel Qji Der Gesamtwirkungsgrad kann als das Verhältnis von Ausgangsleistung P_Q über einer Widerstandslast zur mittleren Eingangsgleichstromleistung P. definiert werden. Der Grundwirkungsgrad wird als das Verhältnis der Grundausgangsleistung P_f zur mittleren Eingangsgleichstromleistung P.definiert»at the fundamental frequency (^ ^), at a cut- off angle Qji The overall efficiency can be defined as the ratio of output power P _Q over a resistive load to the mean input DC power P. The basic efficiency is defined as the ratio of the basic _{output power P f} to the average input DC power P. »

In dieser graphischen Darstellung sind Abkapp- oder Sättigungswinkel nahe Null kennzeichnend für den Rechteckwellenoder Schaltbetrieb und bei einem 90° Abkappwinkel arbeitet der Verstärker in dem linearen B-Klassenbetrieb. Hier erreicht der Gesamtwirkungsgrad, in der'Umgebung eines Abkappwinkels von nahezu Null nahezu 100 %, der Grundwirkungsgrad ist jedoch wesentlich reduziert und zwar aufgrund der Frequenzharmonischen, die in der Schaltbetriebsweise erzeugtIn this graph are cut-off or saturation angles close to zero characterizes the square wave or switching operation and works at a 90 ° cut-off angle the amplifier in the linear B class operation. The overall efficiency is achieved here in the vicinity of a cut-off angle from almost zero to almost 100%, but the basic efficiency is significantly reduced due to the frequency harmonics, generated in the switching mode

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werden. Wenn der Abkapp winkel zunimmt, dann nimmt der Grundwirkungsgrad wesentlich zu und behält einen hohen Wert in der Nähe.der Spitze bei und zwar über einen Bereich von 9„, wie z.B. zwischen 20 und 40°. Hier läßt sich erkennen, daß der Verstärker einen Grund wirkungsgrad von 78.5 °/° im linearen Betrieb aufweist und 81.1 % bei vollem Schaltbetrieb. Zwischen diesen Betriebszuständen erreicht der Grundwirkungsgrad nahezu 89 %, was höher als bei einem linearen B-Klassenbetrieb oder Schaltbetrieb liegt.will. As the cut-off angle increases, the basic efficiency increases significantly and maintains a high value near the tip over a range of 9 ", such as between 20 and 40 °. Here it can be seen that the amplifier has a basic efficiency of 78.5 ° / ° in linear operation and 81.1 % in full switching operation. Between these operating states, the basic efficiency reaches almost 89%, which is higher than with linear B-class operation or switching operation.

Figur 4- zeigt ein Blockschaltbild eines typischen Sonarsenderu und dieser kann sowohl im linearen B-Klassenbetrieb als auch im Zwangssättigungsbetrieb arbeiten. Zugeordnete Taktsignale aus einem Taktgeber 10, der ein Zähler oder ein Hauptoszillator sein kann, werden einem veränderbaren Frequenzoszillator 12 zugeführt, ebenso einer Formerstufe 14 und einem Impulsebreite-Generator 16. Der Oszillator 12 kann von Hand geschaltet sein, um eine gewünschte Trägerfrequenz auszuwählen, wie z.B. mit Hilfe des Schalters 18, oder diese Schaltung kann auch automatisch vorgenommen werden, was nicht Gegenstand der Erfindung sein soll. Diese Ausgangsgröße wird einem Modulator 20 zugeführt, der ebenso ein Modulationseingangssignal von einem Verstärker 22 empfängt, der eine Schaltereinrichtung 24 aufweist und zwar an seinem Eingang, um eines aus einer Vielzahl von Eingangssignalen aus der Formerstufe 14· auszuwählen. Die Formerstufe 14 empfängt vom Impulsebreite-Generator 16 ein Eingangssignal, welches dazu verwendet werden kann; die Dauer jedes gesendeten Energieimpulses zu steuern und zwar bei der ausgewählten Trägerfrequenz. Wie sich aus dem Wellendiagramm erkennen läßt und zwar am Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß des Modulators 20, wird das modulierte Signal vom Modulator 20 zu einem Treiberverstärker 26 geleitet, der seinerseits den Leistungsverstärker 28 treibt und dieserFigure 4- shows a block diagram of a typical sonar transmitter and this can work both in linear B-class operation and in forced saturation operation. Assigned Clock signals from a clock 10, which is a counter or may be a main oscillator, are fed to a variable frequency oscillator 12, as well as a former stage 14 and a pulse width generator 16. The oscillator 12 can be switched manually to select a desired carrier frequency, such as by means of switch 18, or this circuit can also be carried out automatically, which is not intended to be the subject of the invention. These The output variable is fed to a modulator 20, which also has a modulation input signal from an amplifier 22 receives, which has a switch device 24, namely at its input in order to select one of a plurality of input signals from the shaping stage 14 *. The former stage 14 receives an input signal from pulse width generator 16 which can be used for this purpose; the duration of each to control the transmitted energy pulse and that at the selected one Carrier frequency. As can be seen from the wave diagram, namely at the input connection and output connection of the modulator 20, the modulated signal is passed from the modulator 20 to a driver amplifier 26, the in turn drives the power amplifier 28 and this

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den Signalwandler 30 versorgt. Der Treiberverstärker 26 kann Signale mit einem niedrigeren Pegel vorsehen und den Leistungsverstärker 28 im linearen Bereich antreiben, wie dies entsprechend den ersten zwei Perioden der Figur 4a gezeigt ist, oder er kann Signale mit«höherem Pegel vorsehen und dem Verstärker 28 zuführen, so daß dieser in den Zwangssättigungsbereich getrieben wird, wie dies beispielsweise durch die dritte (abgekappte) Periode nach Figur 4a veranschaulicht ist.the signal converter 30 is supplied. The driver amplifier 26 may provide lower level signals and drive power amplifier 28 in the linear range, such as this corresponds to the first two periods of FIG. 4a is shown, or he can provide signals with "higher level and feed the amplifier 28 so that this in the forced saturation range is driven, for example, by the third (cut off) period according to FIG 4a is illustrated.

Figur 5 ist ein Blockschaltbild einer Senderanordnung, wobei gezeigt ist, in welcher Weise eine Vielzahl an ähnlichen Verstärkerelementen dazu verwendet werden kann, um die gesamte Verstärkerenergie zu verändern, unter Verwen- . dung der gleichen Eingangsstufen. Eine Quelle einer variablen Spannung 34 ist an einen spannungsgesteuerten OszJL-lator 36 angeschlossen, dessen Ausgangsgröße ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz'ist, die entsprechend der Eingangs spannung V^. sich ändert. Diese Ausgangsgrösse wird einem Amplitudenmodulator 38 zugeführt, der einen zusätzlichen Eingang aufweist und von einer veränderlichen Steuerquelle 40 gespeist wird, die die lineare Eigenschaft entsprechend dem zugeordneten kleinen Diagramm aufweist, und die das Ausgangssignal aus dem Oszillator 36 moduliert, wie entsprechend der Wellenform am Ausgang des Amplitudenmodulators 38 gezeigt ist. Dieses modulierte Signal wird als eine Eingangsgröße einem Treiberverstärker 42 eingegeben, der seinerseits ein Treibereingangssignal zu jedem von drei Steilheits-(GM)-Verstärkern 44, 46 und 48 vorsieht. Diese Verstärker, sind ebenso an eine Gleichstromversorgung 50 angeschlossen und sie arbeiten derart, daß sie Energie an eine Belastungsvorrichtung 52 ab-geben, die ebenso ein elektroakustischer Wandler sein kann_o Die AusgangsgrösseFigure 5 is a block diagram of a transmitter arrangement showing the manner in which a plurality of similar amplifier elements can be used to vary the total amplifier energy using. using the same input stages. A source of a variable voltage 34 is connected to a voltage-controlled oscillator 36, the output of which is a sinusoidal alternating current with a frequency corresponding to the input voltage V ^. changes. This output variable is fed to an amplitude modulator 38 which has an additional input and is fed by a variable control source 40 which has the linear property according to the associated small diagram and which modulates the output signal from the oscillator 36, as in accordance with the waveform at the output of the Amplitude modulator 38 is shown. This modulated signal is input as an input to a driver amplifier 42 which in turn provides a driver input to each of three slope (GM) amplifiers 44, 46 and 48. These amplifiers are also connected to a DC power supply 50 and they work in such a way that they give off energy to a load device 52, which may also be an electro-acoustic transducer _o The output

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aus den Verstärkern 44, 46 und 48 kann ähnlich derjenigen sein, die in Figur 5a gezeigt ist, bei der ein Abschnittof amplifiers 44, 46 and 48 may be similar to that shown in Figure 5a in which a portion

des Treiberbereiches von O bis V die Ausgangsgröße ei-of the driver range from O to V the output variable

psps

ne getreue Reproduktion des Eingangssignals ist, wenn jedoch die Treiberspannung ansteigt und zwar über diesen
Grad, dann wird die Ausgangswellenform der getrennten Verstärker mehr und mehr abgekappt, was einen Betrieb in dem ZwangsSättigungsbereich darstellt, wobei der Grad der
Zwangssättigung durch den Abkappwinkel 9„ bestimmt ist.ne is a faithful reproduction of the input signal, but if the driver voltage rises above this
Degree, then the output waveform of the separate amplifiers is clipped more and more, representing operation in the forced saturation region, the degree of
Forced saturation is determined by the cut-off angle 9 ".

Die Figuren 6 und 7 zeigen abgewandelte Anordnungen typischer B-Klassen-Steilheitsverstärkeranordnungen. Jeder dieser AusTührungsformen ist entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung abgewandelt.Figures 6 and 7 show modified arrangements more typically Class B transconductance amplifier arrangements. Each of these embodiments is in accordance with the teaching of the present Invention modified.

In der Figur 6 wird eine Eingangsgröße von einer Treiberäbufe (nicht gezeigt) zu einem übertrager f?4 geleitet, der eine Sekundärwicklung aufweist, die an die Basis-Emitter-Übergänge eines jeden von zwei Transistoren 56 und 58 angeschlossen sind. Diese Transistoren werden von Stromversorgungen mit entgegengesetzter Polarität gespeist, wobei der Transistor 56 von einer positiven Stromversorgung und der Transistor 58 von einer negativen Stromversorgung gespeist wird und die Ausgangsgrößen aus jedem der Transistoren entsprechend Wechselstromhalbperioden zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt 60 führen, von wo sie dann zur Belastung svorrichtung 62 gelangen.In FIG. 6, an input variable from a driver stage (not shown) to a transmitter for 4, the has a secondary winding connected to the base-emitter junctions of each of two transistors 56 and 58 are. These transistors are powered by power supplies of opposite polarity, where transistor 56 from a positive power supply and transistor 58 is fed from a negative power supply and the outputs from each of the transistors corresponding to alternating current half-cycles become a common one Lead connection point 60, from where they then arrive at the loading device 62.

In Figur 7 besteht die Stromversorgung aus einem übertrager 64, der eine mittenangezapfte Primärwicklung aufweist und die Mittenanzapfung zu einer positiven Spannungsquelle (Vpß) geführt ist. Die Kollektoren jedes der Transistoren 66 und 68 sind an gegenüberligende Enden der Primärwicklung angeschlossen. Jeder der Smitter dieser TransistorenIn Figure 7, the power supply consists of a transformer 64, which has a center-tapped primary winding and the center tap is led to a positive voltage source (Vpß). The collectors of each of transistors 66 and 68 are at opposite ends of the primary winding connected. Each of the smitters of these transistors

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ist an einen Verbindungspunkt 70 geführt, der seinerseits an den Mittenanschluß der Sekundärwicklung angeschlossen ist und zwar an einen Kopplungsübertrager 72, dessen Primärwicklung das Eingangstreibersignal-empfängt. Bei den gezeigten Polaritäten wird es klar, daß die Transistoren 66 und 68 so angeschlossen und geschaltet sind, daß sie die Last ?4 entsprechend entgegengesetzter Halbperioden der Stromversorgung speisen bzw. treiben«is led to a connection point 70, which in turn is connected to the center connection of the secondary winding, namely to a coupling transformer 72, the primary winding of which receives the input drive signal. Both It is clear that the polarities shown are that the transistors 66 and 68 are connected and switched so that they the load? 4 corresponding to opposite half-periods feed or drive the power supply «

In Figur 8 ist, ein schematischer Schaltplan eines Verstärkermoduls desjenigen Typs gezeigt, der in der Anordnung gemäß Figur 5 verwendet werden kann. In diesem Fall sieht der Verstärker einen B-Klassen-Steilheitsbetrieb in einer VoIlbrückenanordnung vor. Die Eingangsgröße von einer Treiberstufe (nicht, gezeigt) gelangt über die Primärwicklung eines Eingangsübertragers 78* Ein Ausgangsübertrager 80, dessen Primärwicklung so angeschlossen ist, daß sie die Ausgänge aus allen Transistörstufen empfangen kann, ist so angeordnet, daß sie eine Widerstandslast 82 speist oder treibt, welche ein elektroakustischerWandler sein kann. Die Transistoren 84 und 86 sind an eine Stromversorgung mit positiver Spannung am Anschluß 88 angeschlossen. Ein Anschluß 90 einer negativen Spannungsquelle führt zu den Tranästoren 92 und 94-₅ wobei die Transistoren wie gezeigt angeordnet sind. Während jeder Halbperiode der Stromversorgung, leiten immer diagonal angeordnete Transistoren, so daß sie eine volle 360 -Ausgangsgröße an der Primärwicklung des Ausgangsübertragers 80 erzeugen und damit an der Last 82.FIG. 8 shows a schematic circuit diagram of an amplifier module of the type which can be used in the arrangement according to FIG. In this case, the amplifier provides a B-class steepness operation in a full-bridge arrangement. The input from a driver stage (not shown) passes through the primary winding of an input transformer 78 which can be an electroacoustic transducer. Transistors 84 and 86 are connected to a positive voltage power supply at terminal 88. A terminal 90 to a negative voltage source leads to the Tranästoren 92 and 94- ₅ wherein the transistors are arranged as shown. During each half cycle of the power supply, transistors arranged diagonally always conduct so that they produce a full 360 output on the primary winding of output transformer 80 and thus on load 82.

In dieser Weise arbeitet der Verstärker als eine Vollwelleneinrichtung und zwar bis zur Stromversorgungsgrenze und die Wellenform an der Last 82 bleibt im wesentlichen erhalten.In this way the amplifier operates as a full wave device up to the power supply limit and the waveform across load 82 is essentially preserved.

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

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Dieser Verstärker kann jedoch auch in einem Zwangssättigungsbereich betrieben werden und die an der Last 82 erscheinende Wellenform wird abgekappt, wie in Figur 5ä gezeigt ist. Es steht ein Betrieb entweder im linearen oder im Zwangssättigungsbereich zur Verfugung, was von der Große des Treibersignals abhängig ist, das an die Primärwicklung des Übertragers 78 angelegt wird.However, this amplifier can also be used in a forced saturation range are operated and the waveform appearing on load 82 is clipped as shown in Figure 5a is. Operation is available either in the linear or in the forced saturation range, which depends on the The size of the driver signal that is sent to the primary winding is dependent of the transmitter 78 is applied.

Der in Figur 9 gezeigte Verstärker ist ähnlich demjenigen der Figur 8, weist jedoch eine abgewandelte Stromversorgung sanordnung auf, so daß eine Vollwellen-Brückenausgleichsbetriebsweise möglich wird und zwar von einer einzelnen otromversorgungsquelle Vpg. Ein Eingangssignal von einer Treiberstufe wird an die Primärwicklung des Übertragers 98 gelegt und dieser Übertrager weist eine Vielzahl von Sekundärwicklungen auf, die an die Basisanschlüsse der Transistoren 100, 102, 104 und 106 angeschlossen sind. Bei dieser Schaltungsanordnung ist auch ein Vorspann-Regulierverstärker 108 vorgesehen und dessen Eingang ist an den Mittelpunkt zweier gleicher Widerstände 110 und 112 angeschlossen, wobei diese Widerstände zwischen der Stromversorgung Vpg und Masse oder Erde liegen. Der Ausgang ist über eine Kapazität 114- nach Masse geführt und zur Mittelanzapfung der Primärwicklung eines Ausgangsübertragers 116, dessen Sekundärwicklung die Last 118 mit Energie versorgt. Bei dieser Anordnung wird der Spannungspegel an der Mittenanzapfung auf der Hälfte der Versorgungsspannung Vp₂ gehalten.The amplifier shown in FIG. 9 is similar to that of FIG. 8, but has a modified power supply arrangement so that a full-wave bridge balancing mode of operation is possible from a single electric power supply source Vpg. An input signal from a driver stage is applied to the primary winding of transformer 98 and that transformer has a plurality of secondary windings connected to the bases of transistors 100, 102, 104 and 106. In this circuit arrangement, a bias regulating amplifier 108 is also provided and its input is connected to the midpoint of two equal resistors 110 and 112, these resistors being between the power supply Vpg and ground or earth. The output is routed to ground via a capacitor 114- and to the center tap of the primary winding of an output transformer 116, the secondary winding of which supplies the load 118 with energy. With this arrangement, the voltage level at the center tap is kept at half the supply voltage Vp ₂ .

Es kann erforderlich oder wünschenswert sein, den Verstärker, der in Figur 9 gezeigt ist, vor einer Zerstörung zu schützen, die bei einem Kurzschluß bei oder stromaufwärts von der Treiberstufe auftreten könnte. Figur 10 zeigt einen Treiberverstärker 130, der ein Eingangssignal an einem It may be necessary or desirable to use the amplifier which is shown in Figure 9, from destruction protect against a short circuit at or upstream from the driver stage could occur. FIG. 10 shows a driver amplifier 130, which receives an input signal at a

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Anschluß 128 empfängt und der über einen Widerstand 132 mit Masse verbunden ist„ An den Verstärker 130 ist ein Widerstand 134 angeschaltet und parallel zu diesem Widerstand ist ein Paar von entgegengesetzt gepolten Zenerdioden 136 und 138 parallel geschaltet« Wie ein Fachmann erkennen wird, arbeiten die Zenerdioden in der Weise, daß sie die Ausgangsgröße des Treiber-verstärkers begrenzen, indem sie effektiv jede Halbwelle bei der Zenerdurchbruchsspannung abkappen.Terminal 128 receives and which is connected to ground via a resistor 132 Resistor 134 is turned on and in parallel with this resistor is a pair of oppositely polarized zener diodes 136 and 138 connected in parallel «Like a specialist the Zener diodes work in such a way that they limit the output of the driver amplifier, by effectively cutting off every half-wave at the zener breakdown voltage.

Es sind auch weitere Yerstärkeranordnungen möglich, die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind und es sei hervorgehoben, daß die gezeigten Yerstärkeranordnungen nur Ausführungsbeispiele darstellen« Während die Erfindung sich grundsätzlich auf Leistungsverstärker an= wenden läßt, bei denen großer Wert auf einen guten Wirkungsgrad über einen sehr schmalen Bandbereich mit einer Grundfrequenz gelegt wird und die Erfindung in Verbindung mit einer Sonar-Sendereinrichtung beschrieben wurde, so kann sie ebenso auf anderen Anwendungs-gebieten wie z_oB„ R-adar Verwendung finden. Es geht ebenso hervor, daß durch Steuerung des Grades der Zwangssattigung der Verstärker entweder in ^ einem Bereich entsprechend einem im wesentlichen konstanten Energieausgang oder Ausgangsgröße oder in einem Bereich entsprechend einer im wesentlichen konstanten Ausgangsspannung, bei größeren Leistungsschwankungen, betrieben werden kann.Other amplifier arrangements are also possible which are constructed according to the teaching of the present invention and it should be emphasized that the amplifier arrangements shown are only exemplary embodiments a very narrow band region is placed at a fundamental frequency, and the invention has been in conjunction with a sonar transmitter means described, it may also in other application areas such as _o B "is located using R-adar. It can also be seen that by controlling the degree of forced saturation, the amplifier can be operated either in a range corresponding to a substantially constant energy output or output, or in a range corresponding to a substantially constant output voltage for larger power fluctuations.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.All technical details recognizable in the description and shown in the drawings are for the Invention of importance.

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Claims

- 15 PATENT CLAIMS

Power amplifier in which the output power is on a narrow frequency bandwidth is concentrated and with a high degree of efficiency, gekennz eichnet by at least one amplifier stage in which a device is provided which the amplifier stage drives and controls into a peak saturation region according to a desired portion of the input period, this section being significantly smaller than the entire input period.

2. Power amplifier according to claim 1, characterized in that that the! driver and control device the amplifier stage according to a portion of the input period so drives into a saturation condition that the amplifier produces a substantially constant power output.

3. Power amplifier according to claim 1, characterized in that the driver and control device is the amplifier stage thus drives into a saturation state corresponding to a portion of the input period. that the amplifier is an im produces a substantially constant output voltage.

4. Power amplifier according to claim 1, characterized in that that the driver and control device is also used to control corresponding to the amplifier level below the peak saturation arranged in linear operation.

5. Power amplifier according to claim 1, characterized in that that the driver and control device is selectively controllable to provide a substantially constant output power,

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essentially constant output voltage or linear Operating mode to be provided.

6. Power amplifier according to claim 1, characterized in that the power amplifier is a full bridge amplifier is class B.

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